1.05. El origen del Universo

  • La ciencia actual cree y afirma que el Universo, en el que estamos, nació mediante una gran "explosión inicial" (Big Bang) hace unos 13.700 millones de años (1,37·1010 años) cuando aún no había estrellas ni galaxias, cuando el Universo empezaba a hacerse material.
  • Eso ocurrió a una distancia de la Tierra de unos 1,37·1026 m.
  • El Universo desde el origen hasta el presente ha crecido de forma continua.
  • En su evolución se formaron primero las partículas subatómicas, los núcleos atómicos y después se empezaron a formar los primeros grumos de materia, por evolución se forman estrellas y galaxias y desde el Big Bang hasta la época actual el Universo no ha dejado de expandirse.
  • Estas dos hipótesis fundamentales han permitido la construcción del denominado "modelo estandar" de la historia del Universo:
    • Primera: La hipótesis del Big Bang o de la gran explosión inicial.
    • Segunda: La hipótesis de la expansión continua y generalizada del Universo implícita en la ley de Hubble. La velocidad de expansión es directamente proporcional a la distancia: V=H*D
    • El Modelo de expansión indefinida: Sostiene que las fuerzas expansivas, impresas desde el Big Bang superan a la fuerzas de atracción gravitatorias, que no es capaz de frenar la expansión. Implica un Universo progresivamente menos denso de energía y cada vez más frío.
  • El Universo observable no es más que el 10 % de toda la materia del universo.
  • Junto con la materia visible u ordinaria que es minoritaria, también existe en el Universo en grandes proporciones, un 90 % de materia oscura y energía oscura, que no son visibles, pero que se manifiestan o ponen en evidencia indirectamente. La materia oscura se evidencia por sus efectos gravitacionales sobre las galaxias y la energía oscura por actuar como fuerza repulsiva en contra de la gravedad, contribuyendo a acelerar la expansión del Universo a que se alejen de nosotros los cúmulos de galaxias.

1.5.1. Cronograma de tiempo

Entra en la siguiente dirección: http://www.johnkyrk.com/evolution.esp.html

Observa la animación avanzando con el pequeño triángulo por la barra del cronograma del tiempo y redacta un pequeño informe sobre el Big-Bang.
  1. Explica la frase: “El Universo parece ser la consecuencia de un evento inusual: la gran explosión o Big Bang, que ocurrió hace unos 13700 millones de años, y sus efectos todavía subsisten, expandiendo el Universo”.
  2. Utilizando el cronograma de la animación indica hace cuanto tiempo y las características en las que: a) se formó el Universo; b) brillan las primeras estrellas; c) se forma el Sistema Solar; d) se forma la Tierra; e) se forma la Luna; f) se origina la vida; g) surgen los primeros organismos pluricelulares; h) era Paleozoica (periodo cámbrico, los primeros invertebrados; i) Los dinosaurios (era Mesozoica, periodo Jurásico y Cretácico); j) extinción de los dinosaurios; k) separación de los continentes; l)aparición del Homo erectus; m) aparición del Homo sapiens sapiens; n) descubrimiento del jabón; o) descubrimiento de la lámpara incandescente
  3. Explica por qué cuánto más alejados están los objetos de la Tierra se ven más rojos.

1.5.2. Realiza tu propio cronograma

A veces este cronograma se realiza haciendo la equivalencia de la edad del Universo con un año terrestre (365 días). Es decir, se supone que el Big Bang tuvo lugar el 1 de enero a las 00:00 horas y el momento actual es la medianoche del 31 de diciembre. La persona que popularizó esta equivalencia fue el astrofísico y divulgador Carl Sagan, en su libro Los dragones del Edén, y en la serie de televisión "Cosmos", de la cual era el presentador.

La actividad que te propongo es una variante de este "año cósmico" y consiste en reducir la edad del Unicerso (que para concretar supondremos un valor aproximado de 14000 millones de años) a la edad que tú tienes en este momento. Para calcular tu edad, considera las siguientes aproximaciones:
  • un año completo equivale a 365 días
  • un mes completo equivale a 30 días
Así, por ejemplo, si naciste el 20 de abril de 1995, tendrías en el momento de escribirse estas líneas (26 de julio de 2011) una edad de 16 años + 3 meses + 6 días, es decir, 5936 días.
Una vez realizada la conversión, puedes completar la siguiente tabla de acontecimientos, ayudándote de los datos proporcionados por la actividad 1.5.1., libros, o páginas web como http://www.pbs.org/deespspace/timeline/index.html
Edad personal
(días)
Acontecimientos personales
Edad del Universo
(·106 años)
Acontecimientos del Universo



Formación de átomos de hidrógeno y helio



Formación de las primeras estrellas



Formación del Sistema Solar



Formación de la Tierra

1.5.3. Evolución de las teorías sobre el origen del Universo

Relacionar textos con autores
  • Lee atentamente los fragmentos siguientes, adaptaciones de distintas teorías y elige sus posibles autores realizando las actividades que aparecen al final del mismo.
  • I. "Existe el mundo sublunar o mundo terrestre. Éste se encuentra formado por la Tierra, situada en el centro del universo. Es un mundo imperfecto y corrupto, formado por los cuatro elementos fundamentales: agua, aire, tierra y fuego. Por otro lado, se encuentra el mundo supralunar o mundo celeste. Éste contiene el resto de planetas y estrellas que giran en círculos perfectos alrededor de la Tierra. Es un mundo bello, perfecto, formado por un quinto elemento incorruptible, el éter.»

  • II. "El universo ha existido siempre aproximadamente tal y como hoy lo conocemos. Es homogéneo e isótropo, es decir, a gran escala tiene la misma apariencia, independientemente del punto desde donde se observe. El Sol sólo es una de las centenares de miles de estrellas que forman nuestra galaxia, la Vía Láctea. Y ésta, a su vez, sólo es una galaxia típica entre centenares de miles de galaxias distribuidas por el universo. No existe un centro, sino una extensión infinita de galaxias.»

  • III. "En el comienzo, hace 13700 millones de años, hubo una explosión que se produjo simultáneamente en todas partes, que creó todo el espacio desde el comienzo, y en el que toda partícula se alejó de toda partícula. Al cabo de una centésima de segundo, el calor era tan grande que no podían formarse todavía ni las moléculas ni los átomos. Sólo existían partículas como electrones y positrones. Estas partículas empezaron a aniquilarse, pero quedó un remanente. Al seguir enfriándose el universo con su expansión, las partículas restantes formaron los átomos y moléculas que componen las estrellas y los planetas Aún hoy nos llega, como radiación de fondo, el remanente de esa gran explosión, que mantiene la misma temperatura en todas las direcciones»

  • IV. "Al inicio sólo existía el Caos. De éste surgió Gea, la Tierra, y algunos de los dioses primordiales. Luego, Gea dio luz a Urano, el Cielo, y éste fecundó a Gea. De esta unión nacieron dioses como Océano, dios de las aguas y los mares, Hiperión, dios del Sol, o Cronos, hijo de Urano y padre de Zeus. Cuando Zeus, dios del cielo y el trueno, desafió a su padre, Cronos, y le venció, se hizo con el gobierno del Olimpo. Son los dioses los que controlan todos los fenómenos que ocurren en el mundo de los mortales.»

  • V. ¿Existe una teoría unificada completa, que explique el origen y evolución del universo, o debemos conformamos con un conjunto de teorías parciales que describan el universo cada vez con mayor precisión? En última instancia, se tiene la esperanza de encontrar una teoría unificada, consistente, completa, que incluiría todas las teorías parciales. La búsqueda de una teoría como ésta se conoce como la unificación de la física. El principio del tiempo fue un punto de densidad infinita, una singularidad, donde todas las leyes conocidas de la ciencia fallarían. Es necesario utilizar una teoría cuántica de la gravedad, que aún hoy no poseemos, para discutir las etapas muy tempranas del universo. Pero una teoría unificada completa sólo sería el primer paso: nuestra meta es una completa comprensión de lo que sucede a nuestro alrededor y de nuestra propia existencia.»

Estos textos reflejan las ideas de los siguientes autores: Hesíodo, Aristóteles, Stephen Hawking, Penzias y Wilson y Albert Einstein.
      • a**. Relaciona cada uno de los textos con alguno de los autores indicados, poniendo a su lado el número romano correspondiente al texto. Argumenta los motivos de tus respuestas.

      • b**. Ordena cronológicamente los textos y realiza un esquema resumen de las principales ideas cosmológicas defendidas por los autores a lo largo de la historia.

      • c**. Algunas de estas explicaciones sobre el universo están basadas en mitos, mientras que otras lo están en razonamientos científicos. Indica cuáles de ellas pertenecen a explicaciones míticas y cuáles a las científicas, razonando la respuesta. ¿Cuáles son las diferencias entre las explicaciones que proporciona un mito y las que se consiguen en la ciencia?

      • d**. Muchas de de las explicaciones científicas examinadas han dejado de ser válidas. ¿Crees que, por ello, han dejado también de ser científicas?

      • e**. De los textos indica con claridad cuál nos dice la finalidad de la ciencia. ¿de qué texto se trata, y cuál es dicha finalidad? ¿Crees que se trata del único objetivo posible de la ciencia?

      • f**. La investigación científica puede estar condicionada por intereses económicos, políticos o de otros tipos, de distintos ámbitos de la actividad humana. Argumenta de forma razonada sobre la independencia de la ciencia respecto a otros intereses

1.5.3.1. El origen del Universo. El Big Bang, el bang más grande

Lee el siguiente texto realiza las actividades que te proponemos al final del mismo.
  • En el big bang, nuestro universo entero nació repentinamente cuando un solo punto, más pequeño y más caliente de lo que podemos imaginar, estalló con una tremenda furia de potencia y trascendencia inconcebibles. La idea del big bang está íntimamente relacionada con la del universo en expansión. De hecho, fue la idea del universo en expansión la que condujo a los científicos marcha atrás, por así decir, hasta el big bang. En los años 20, Edwin Hubble descubrió que hay millones de galaxias en el universo y que éstas están alejándose de nosotros a velocidades enormes. En 1929 demuestra experimentalmente la expansión del Universo. Observaciones posteriores mostraron que las galaxias más lejanas se estaban alejando de nosotros con más rapidez, y que las galaxias próximas se alejaban mucho más lentamente. Esto es exactamente lo que uno esperaría ver si el universo hubiera comenzado en una explosión suprema y gigantesca: un «big bang». Los fragmentos expulsados a más velocidad por la explosión habrían tenido tiempo de alejarse más en el espacio que los fragmentos más lentos. Hubble descubrió también que la razón entre la distancia y la velocidad de una galaxia es constante V=H·D (este valor se conoce como la constante de Hubble). Esto significaba que en algún instante en el pasado -en el comienzo de todas las cosas- todas las galaxias del universo estaban amontonadas en el mismo lugar al mismo tiempo. Pero ¿cuánto tiempo hace que tuvo lugar este atasco celeste, y la explosión que le siguió?
  • Un paso lógico que debió darse para que los científicos llegaran a determinar la edad del universo era medir la velocidad y la distancia de diversas galaxias. Muchos científicos coinciden en que la edad del universo está entre ocho y trece mil millones de años. Algunos investigadores han estimado la edad de las estrellas más viejas de la Vía Láctea en catorce mil millones de años. Esto hace que los escépticos respecto a la teoría señalen la paradoja de que las estrellas más viejas podrían ser más viejas que el propio universo. Pero, los científicos están afinando constantemente sus datos y sus teorías, y con el tiempo pueden limarse las asperezas numéricas. Parte de la importancia de determinar la edad del universo reside en que los científicos utilizan dicho conocimiento para intentar comprender cómo se formaron las estrellas y las galaxias.
  • ¿Qué sucedió inmediatamente después del big bang? Se formaron los primeros quarks y leptones, las unidades constituyentes de las partículas elementales. Además, la única fuerza unificada original se separó en las cuatro fuerzas que hoy conocemos: gravedad, electromagnetismo y las fuerzas nucleares fuerte y débil. ¡Y esto fue sólo en la primera diezmilmillonésima de segundo! Las siguientes en formarse fueron las propias partículas, incluyendo los protones, los neutrones y los electrones. Luego se formaron los primeros núcleos a partir de protones y neutrones; y luego los núcleos y los electrones sueltos se mezclaron en un gas llamado plasma (cuarto estado de la materia). Finalmente, los electrones, los neutrones y los protones se unieron en átomos, los familiares bloques constituyentes del mundo tal como hoy lo conocemos. En un instante, este «material» se había extendido hasta proporciones cósmicas.
  • ¿Existe alguna evidencia del big bang? La primera evidencia importante, descubierta en 1965 por Wilson y Penzias, fue la existencia de una radiación de microondas procedente del espacio profundo (el mismo tipo de radiación que calienta el café) Esta radiación sería el eco del BigBang. El universo nació a partir de un punto muy caliente y ha estado expandiéndose y enfriándose desde entonces, ahora debería estar a una temperatura de aproximadamente -270 grados Celsius (7 K), precisamente la temperatura de la radiación de microondas de los cuerpos celestes. Nuevas mediciones de la radiación de fondo, fueron realizadas con el satélite COBE (Cosmic Background Explorer) en 1992 y por la sonda WMAP (sonda anisotrópica de microondas Wilkinson) lanzada por la NASA en el 2001 midió la radiación cósmica de fondo de microondas y nos dio una imagen con las “arrugas” de Universo primitivo, estas mediciones se mejorarán con el nuevo satélite Planck de la Agencia espacial Europea (ESA), lanzado en mayo del 2009.
  • Pero, se estarán preguntando, ¿qué había antes del big bang? Muy probablemente, nada, una nada inestable parecido a un vacío. Por azar, como es teóricamente posible, una sola partícula densa de materia brotó repentinamente a la existencia. ¿Y cuál es el final de la historia? Los científicos están divididos al respecto. El universo puede seguir expandiéndose…
  • Adaptado de Ann Rae, Jonas (2007)
a. Realiza un resumen del texto resaltando las ideas principales.
b. ¿Cuándo y cómo se originó el Universo según la teoría del Big Bang? ¿Qué es el Big Bang?
c. ¿Cuándo después del Big Bang hicieron su aparición los primeros átomos en el Universo? ¿Y la Tierra, la vida, los humanos?
d. ¿Cómo se pudo materializar la energía a los pocos milisegundos de formarse el universo?
e. ¿Qué es la antimateria? ¿Por qué no se ha detectado antimateria en el Universo?
f. ¿Cómo se expresa la ley de Hubble y qué significado tiene para la cosmología moderna? ¿Cuál es el significado y el valor de la constante de Hubble H0? ¿Qué significa su inversa 1/H0?
g.¿Qué es la radiación cósmica de fondo de microondas y como se puede captar?
h. ¿Cuáles son las contribuciones de Mather y Smooth, los científicos galardonados con el premio Nobel de Física en 2006, al estudio de la radiación de fondo?

REDES: Nuestro lugar en el Universo


1.5.4. ¿Cuál es el final de nuestro Universo?


1. Lee el siguiente texto y realiza las actividades que te proponemos al final del mismo

  • ¿Cómo morirá el universo? El mero hecho de intentar responder a esta pregunta, que es la cuestión definitiva de la cosmología, excede a los límites de los conocimientos actuales. Sin embargo, la búsqueda de una solución a este intrincado asunto ha desafiado y reformado, en los últimos 20 años, muchas de nuestras ideas fundamentales sobre el cosmos. No hace mucho, el destino del universo parecía relativamente claro, y había tres posibles resultados. El escoger el acertado era, simplemente, cuestión de afinar en los cálculos. La solución más ampliamente aceptada quizá era que el mundo terminaría en un Big Crunch, o “Gran Implosión”, donde menguaría la tasa de expansión y empezaría a dominar la gravedad. La expansión se invertiría entonces y, a lo largo de muchos miles de millones de años, las galaxias y los cúmulos de galaxias irían acercándose poco a poco. Conforme se comprimiera, también se calentaría hasta que, finalmente, todo se descompondría en una sopa de partículas parecida a la que se produjo con el Big Bang, y el universo volvería a la singularidad de la que surgió.
  • Las otras dos opciones eran, en definitiva, variaciones sobre el mismo tema. La expansión del universo podría ser demasiado potente como para que la gravedad pudiera siquiera aminorar su marcha, o las cosas podrían estar tan equilibradas que la expansión se ralentizaría poco a poco hasta hacerse casi nula, pero el universo no llegaría nunca a contraerse. Cualquiera de los dos escenarios condena al universo a un “Big Chill”, o “Gran Enfriamiento”, en donde conforme la materia del cosmos se dispersa y escasea el material para la formación de estrellas, la luz del universo se debilita hasta apagarse y lo único que queda es una larga eternidad fría.
  • Las mediciones cruciales, de las que dependía el destino del universo, eran el ritmo al que se expande el cosmos y su densidad actual. Desde que Edwin Hubble demostró que el universo se expandía, los astrónomos han intentado medir con precisión esta tasa de expansión, conocida como “Constante de Hubble”, pero sólo en años recientes hemos obtenido una respuesta razonablemente precisa.
  • De la misma forma ha resultado difícil calcular la masa entera del universo ya que no sólo hay que contar la materia visible, sino también la materia oscura. Sin embargo, al casarlas con la constante de Hubble, incluso las mejores estimaciones parecían llevar siempre a una conclusión frustrante: el universo parecía oscilar alrededor de la “densidad crítica”, como si estuviera indeciso entre el frío eterno de la expansión continuada y el ardiente final de un Big Crunch. Pero entonces, a finales de la década de los noventa, se produjo un descubrimiento sorprendente que pareció resolver el dilema de una vez por todas.
  • Los astrónomos estudiando las supernovas lejanas observaron que eran uniformemente menos brillantes y por lo tanto estaban más alejadas de lo que se esperaba. La única explicación que cabe es que la expansión del universo se hubiera acelerado a lo largo de su historia. Parece que actúa una fuerza invisible que impulsa la expansión del universo y contrarrestra los intentos de la gravedad por frenarla. A esta nueva fuerza se la conoce como “energía oscura” y, aunque su causa y naturaleza son todavía un profundo misterio, las consecuencias son claras. La energía oscura parece condenar a nuestro universo a la expansión eterna y a una muerte lenta y fría.
  • No obstante, la nueva fuerza si añade otro posible destino a nuestra selección. Parece que la fuerza de la energía oscura en el universo aumenta con el paso del tiempo; unas mediciones perfeccionadas apuntan a que la gravedad consiguió ralentizar la expansión cósmica hasta hace unos 6.000 millones de años, cuando la energía oscura se incrementó lo suficiente como para superarla. Si la energía continúa aumentando de forma constante, condenará probablemente al universo a un gran enfriamiento, pero algunos argumentan que el incremento podría hacerse a un ritmo exponencial. En algún momento del futuro, esto podría significar que la energía oscura venciera las fuerzas gravitatorias locales e incluso las que dominan los núcleos atómicos. El resultado sería un suceso cataclísmico en el que la materia del cosmos se descompondría en el llamado “Big Rip” o gran desgarro.

a. Resume el texto anterior indicando las ideas principales del mismo.
b. ¿Qué ocurrirá al final del universo. Explica el Modelo de Big Rip o gran desagarro.
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“Big Chill, Big Crunch, Big Rip”

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1.5.5. La Cosmología moderna: contexto histórico
Lee el siguiente resumen con las aportaciones de los científicos y realiza las actividades que te proponemos al final del mismo.
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Albert Einstein
1915. Teoría de la relatividad general
Proporciona una descripción matemática del Universo. Da una respuesta errónea a la existencia de un cosmos eterno y estático. Introduce la constante cosmológica en sus ecuaciones al fin de contrarrestar la gravitación y “frenar” la expansión acelerada del Universo.
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Alexander Friedman
En 1922 examina las ecuaciones de la relatividad de Einstein y llega a la conclusión de que al eliminar la constante cosmológica, admiten varias soluciones, entre ellas el Universo en expansión.
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George Lemaitre
En 1927, llega a las mismas conclusiones que Friedman y propone su modelo del átomo primordial, que contiene toda la materia y la energía a partir de la cuál se formó el Universo. Fue el precursor de la teoría del Big Bang
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Edwin Hubble
En 1929 demuestra experimentalmente la expansión del Universo. Comparó las distancias de las galaxias en función a su velocidad con las que se alejaban unas de otras y dedujo que cuanto más lejos estaban, más rápido se movían. Relación conocida como ley de Hubble.
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George Gamow
En 1948 elabora junto con Ralph Alpher y Hans Bethe el modelo cosmológico del Big Bang y demuestran como se llevó a cabo en las estrellas la creación de los primeros elementos químicos.
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Fred Hoyle
En 1948 propone junto con Thomas Gold y Herman Bandi el modelo cosmológico dinámico e infinito del estado estacionario. Bautiza despectivamente como Big Bang a la teoría de Gamow, que consideraba errónea. El cree en un Universo en expansión, pero infinito y sin un principio definido, en el que se genera materia de forma continua, mediante mecanismos indefinidos.
La relatividad:



















a) ¿Qué estudia la cosmología?
b) ¿Qué función desempeñó la constante cosmológica en las ecuaciones de la relatividad general de Einstein?
c) ¿A qué conclusiones llegaron Alexander Friedmann, George Lemaítre Y Edwin Hubble?
d) ¿En qué se parecen y en qué se diferencian los modelos cosmológicos del Big Bang y del estado estacionario?
e) Compara la posición de las bandas espectrales de absorción de elementos químicos presentes en las galaxias A y B con los que se obtienen en el laboratorio para los mismos elementos químicos C. Explica el fenómeno producido y deduce cuál de las dos galaxias A y B está más lejos de la Tierra.
bandas_espectrales.jpg

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1. Origen y constitución del Universo
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